(一)无人机目标特性

　　市场上中小型无人机主要包括大疆Phantom系列、Mavic系列、小米无人机4K版,亿航184等。为了提高抗干扰能力,大多使用跳频通信系统,通过控制载波频率的变化,使无人机能够在复杂电磁环境下正常通信。 表2给出典型小型无人机频谱相关特性。

　　频谱探测的主要目标包括遥控信号和图传信号。 通过对无人机跳频信号进行特征参数提取,包括跳频周期、 跳变时刻、跳频频率三个最重要的特征参数,再根据估计的参数获得跳频图案。 通过测量定频信号的中心频率和带宽等特征参数,实现对无人机图传信号的识别。要截获目标的通信信息,还要根据调制方式、数据波特率等特征参数的识别结果,解调出目标携带的基带信号数据。

　　(二)电磁频谱发射源定位技术

　　电磁频谱发射源定位技术分为多站定位和单站定位。采用多站联合检测信号到达角(AOA)、到达时间(TOA)、到达时差(TDOA)和到达频差(FDOA)等信息,通过多测量点信息交汇和几何算法得到定位结果;还可以采用单一的可搬移式布设站点,通过站点位置移动检测来实现定位。

　　1.基于AOA的测向定位技术

　　(1)方位扫描测向技术。天线做方位扫描(0~360),以接收信号能量幅度峰值确定到达角。通常采用旋转环或交叉环天线测向机、乌兰韦伯测向机等仪器设备。

　　该方法测向灵敏度、准确度高,抗同频干扰能力强;缺点是占用场地较大,测向速度较慢。

　　(2)比相法测向技术。采用干涉仪测向机测量不同位置天线感应电压的相位差来计算信号到达角。 此方法具有较高的测向灵敏度和测向精确度,测向速度较快,不足之处是抗干扰能力较差。多普勒(Doppler)测向机利用天线做方位扫描,应用多普勒效应的原理确定到达角。 该方法测向准确度高,极化误差较小,缺点是抗干扰性差。

　　(3)比辐法测向技术。利用一对完全相同的同心正交天线对,只有从某特定方位角入射的电波在两天线对上产生的电势幅度与到达角的正弦或余弦成比例。 这种技术又称为沃森-瓦特(Watson-watt)测向机,具有测向速度快、抗干扰能力强的特点。 缺点是双通道接收机的一致性要求高,制造复杂。

　　2.基于TDOA的测时定位技术

　　(1)信号相关检测测时技术。 通过对不同探测设备(如实时频谱分析仪、频谱监测接收机)的接收信号进行相关计算获取信号到达相对时间(差)。该方法是一种高精度、高分辨率、抗干扰能力强的测时技术,但计算复杂度较高。

　　(2)小波变换检测测时技术。通过对接收信号进行交互小波变换,在变换域中根据相同坐标下的最大值来确定时延。该方法测时精度高,抗干扰能力强,计算复杂度相对较低,但采用不同小波会对测时性能产生影响。

　　(三)无人机AOA交叉定位

　　基于AOA的无人机频谱探测由高性能移动或固定测向机实现,常用的仪器主要是多普勒测向机和干涉仪测向机。

　　1.多普勒测向机

　　早期多普勒测向机应用于航空安全领域,主要工作在VHF/UHF频段,实现民用航空发射台测向。新一代多普勒测向机引入双信道补偿、梳状滤波器等技术,多采用大型天线阵,充分发挥测向准确、灵敏、极化误差小、可测来波仰角等优点,提高抗干扰能力,降低信号调制误差。 典型系统如城区移动监测(PA555),跳频测向(SDS-2000)等。

　　2.干涉仪测向机

　　干涉仪测向机应用范围广,有地面、车载、船载、机载等类型。 构成大基础阵时具有较宽的方位和俯仰扫描能力,较高的增益,以及易于实现三维波束赋形方向图等优点,但由于体积大,需要安装在固定站;也可使用小到几分之一波长的小基础阵,适合机动性强的战术环境应用,但测向精度较低。

　　3.交叉定位

　　仅依靠一部测向机的一条测向方位线无法确定无人机的位置,常需要将多个测向站组合后构成系统。系统中一个测向站通过通信接口与其他测向站相连,将每个测向站测得的示向线的交叉点作为目标辐射源,完成交叉定位。

　　(四)TDOA定位技术的主要优势

　　无人机可能随时悬停,相对于基站无运动,采用基于FDOA的定位方式难以对其定位。与AOA定位方法相比,TDOA定位有以下优点:

　　1.定位精度更高

　　目标位置估计误差与目标距离成反比,采用AOA定位时与基线长度成反比,而TDOA定位与基线长度的平方成反比。

　　2.定位效果较好

　　利用TDOA对宽带信号定位,具有相关峰高、定位误差小、灵敏度高、抗干扰能力强等优点。

　　3.系统简单易于组网

　　地面固定站探测天线可以采用高增益方向性天线,拓展探测距离,天线的安装环境要求也没有AOA测向天线那样苛刻。

　　4.不存在相位模糊问题

　　基线长度可根据地形地物情况选定,可达数公里,长基线能够保证所需定位精度, 同时还能避免相邻站天线间的互耦影响。

　　TDOA定位系统由于其经济性、便携性,传感器易于网络化,拓扑结构易伸缩,可以依托民用基站大规模使用。

　　作者：李光伟、费晓燕、刘彦明、杜盈

　　编辑：广汉